§ 2.2. Сварные соединения

Сварным — называется неразъемное соединение, выполненное сваркой, т. е. путем установления межатомных связей между свари­ваемыми частями при их нагревании или пластическом деформировании.

Основные понятия, термины и определения, относящиеся к сварке металлов стандартизованы. Технология сварочного производства изуча­ется в курсе технологии металлов.

Сварные соединения являются наиболее распространенными и со­вершенными из неразъемных соединений, так как лучше других обеспе­чивают условия равнопрочности, снижения массы и стоимости конструк­ции. Замена клепаных конструкций сварными уменьшает их массу до 25%, а замена литых конструкций сварными уменьшает расход металла до 30% и более. Трудоемкость сварных конструкций значительно меньше клепаных, а возможности механизации и автоматизации технологическо­го процесса значительно больше. Сварка позволяет соединять детали сложной формы, обеспечивает сравнительно бесшумный технологиче­ский процесс и герметичность соединений. В настоящее время сваривают детали, изготовленные из черных, многих цветных металлов, а также из пластмасс. Свариваемость материалов характеризуется их склонностью к образованию трещин при сварке и механическими свойствами соедине­ния. Хорошей свариваемостью обладают низкоуглеродистые стали, пло­хой — высокоуглеродистые стали и чугуны.

Недостатки сварных соединений: недостаточная надежность при ударных и вибрационных нагрузках, коробление деталей в процессе сварки, концентрация напряжений и сложность проверки качества соединений.

Существует много видов сварки, которые можно подразделить на две группы: сварка плавлением и сварка давлением. Часть конструкции, в ко­торой сварены примыкающие друг к другу элементы, называется свар­ным узлом. В машиностроении наибольшее распространение имеют свар­ные узлы, полученные разновидностью сварки плавлением — дуговой сваркой, при которой нагрев осуществляется электрической дугой; мень­шее распространение имеет контактная сварка с применением давления, при которой нагрев производится теплом, выделяемым при прохождении электрического тока в зоне контакта соединяемых деталей. В дальнейшем рассматриваются соединения, полученные дуговой сваркой.

Металл соединяемых сваркой деталей называется основным, а ме­талл, предназначенный для введения в сварочную ванну в дополнение к расплавленному основному, называется присадочным; переплавленный присадочный металл, введенный в сварочную ванну, называется наплав­ленным. Участок соединения, образовавшийся в результате кристаллиза­ции металлической сварочной ванны называется сварным швом. Металл шва является сплавом основного и наплавленного металла, а иногда толь­ко переплавленным основным металлом.

Существуют следующие виды сварных соединений рис. 2.6: стыко­вое (а), нахлесточное (б); угловое (а), тавровое (б). Шов стыко­вого сварного соединения называется стыковым, а швы нахлесточного, углового и таврового соединений называют угловыми. Сварные швы мо­гут быть непрерывными и прерывистыми; последние имеют промежутки по длине шва. Металл шва, наплавленный за один проход, называется валиком; один или несколько валиков, расположенных на одном уровне поперечного сечения шва, называется слоем.

Сварные швы по форме поперечного сечения могут быть нормаль­ными (рис. 2.6, б), выпуклыми (рис. 2.6, а; 2.7, а) и вогнутыми (рис. 2.7, б). Выпуклость шва обозначается д, а вогнутость — А; их величина не должна превышать 3 мм. Выпуклый угловой шов, кажущийся на первый взгляд более прочным, имеет значительную концентрацию напряжений по сравнению с нормальным и особенно вогнутым швами, так как выпук­лый шов образует более резкое изменение сечения детали в месте соеди­нения. Поэтому при действии на конструкцию переменных нагрузок ре­комендуется применять вогнутые угловые швы, хотя вогнутость их обыч­но достигается механической обработкой, которая значительно увеличи­вает стоимость соединения. У стыковых швов со снятыми механическим

способом выпуклостями концен­трация напряжений практически отсутствует.

Различают швы лобовые и фланговые (см. рис. 2.6), распо­ложенные соответственно пер­пендикулярно и параллельно линии действия нагрузки; кро­ме того, бывают швы косые и комбинированные.

Расчет сварных соединений. Основным критерием работоспособ­ности сварных соединений является прочность, причем предполагается, что напряжения в опасных сечениях распределены равномерно.

Расчет стыковых соединений производится по нормальным напря­жениям растяжения или сжатия по номинальному сечению соединяе­мых элементов без учета выпуклости шва:

σ'=F/(δL)<[ σ’ ]

где δ — толщина соединяемых элементов; L — длина шва; [σ’ ] — допус­каемое напряжение металла шва для принятой технологии сварки (напряже­ние в металле шва обозначаем соответствующей буквой со штрихом).

Основным геометрическим и расчетным параметром угловых швов является катет К (если катеты сечения шва не равны, то шов характери­зуют меньшим катетом). В большинстве случаев катет шва принимают равным толщине соединяемых деталей.

Расчет угловых швов производится по касательным напряжениям сдвига в опасном сечении 1—1, расположенном в биссекторной плоско­сти прямого угла (см. рис. 2.7, а), без учета выпуклости шва:

' = F/(0,7КL) <['],

где 0,7К=Кsin45° — высота опасного сечения шва; L— суммарная длина швов (см. рис. 2.6, б); ['] — допускаемое напряжение металла шва для принятой технологии сварки.

В нахлесточном соединении (см. рис. 2.6, б) внешние силы F обра­зуют пару сил, моментом которой ввиду малого плеча пренебрегают. Приведенные расчетные формулы пригодны для швов сварных конструк­ций, нагруженных осевыми силами, но не моментами; последний случай встречается реже и мы его рассматривать не будем.

Допускаемые напряжения для сварных швов принимают в зависимо­сти от допускаемых напряжений на растяжение для основного металла с учетом характера действующих нагрузок и принятой технологии сварки. Ориентировочно для стальных конструкций при статической нагрузке:

[σ'_р] = (0,6...0,65)[ σ'_р].

Здесь [σ _р] = σ _Т/[S], где σ _т —предел текучести основного материала; [s]—

допускаемый коэффициент запаса прочности ([s] = 1,35...1,7, большие значения для легированных сталей).

Для переменных нагрузок допускаемые напряжения понижают с уче­том характеристики цикла напряжений, эффективного коэффициента концентрации напряжений в сварных швах, числа циклов нагружения и других факторов.

Максимальную длину лобового и косого швов не ограничивают; длину фланговых швов следует принимать не более 60 К, где К — катет шва во избежание значительной неравномерности распределения нагруз­ки по длине шва. Минимальная длина швов не менее 30 мм, так как иначе неизбежные дефекты (непровар в начале шва и образование кратера в конце шва) будут значительно снижать его прочность. Учитывая дефек­ты, короткие швы следует увеличить по длине на 5—10 мм против рас­четной величины. Величина перекрытия соединяемых элементов в нахле-сточных соединениях не должна быть меньше четырехкратной толщины материала.

Швы в конструкциях следует располагать так, чтобы они были на­гружены равномерно. Поэтому соединение симметричных элементов следует выполнять симметрично расположенными швами и наоборот; напряжения растяжения или сжатия должны распределяться по сечению соединяемых элементов равномерно, а продольная сила должна прохо­дить через центр тяжести сечения.

Сказанное выше о видах сварных соединений, типах сварных швов, их параметрах и расчетных формулах относится также к сварным соеди­нениям из алюминия, алюминиевых сплавов, винипласта, полиэтилена и других материалов.

Сварка алюминия производится в среде защитного газа неплавящим-ся металлическим электродом с подачей в сварочную ванну присадочной проволоки.

Сварка винипласта и полиэтилена производится горячим воздухом с присадочным прутком. Разработаны методы сварки пластмасс нагрева­тельным элементом, токами высокой частоты, ультразвуком.

Пример 2.1. Стержень, состоящий из двух равнополочных уголков, соеди­ненных косынкой, нагружен постоянной растягивающей силой Р = 200 кН (рис. 2.8). Определить номер профиля уголков и длину швов сварной конструкции соединения. Сравнить по весу сварную конструкцию узла с клепаной. Материал уголков — сталь с допускаемым напряжением [σ_р] = 140 МПа.

Решение. Из расчета на растяжение определим площадь сечения уголков:

2A=F/ [σ _р] =200*10³ /(140*10⁶)=0.00143м² = 14,3 см².

Для одного уголка А = 7,15 см². По ГОСТу выбираем уголок N6,3, имеющий площадь поперечного сечения 7,28 см², толщину полки d = 6 мм и координату центра тяжести z₀ = 17,8 мм.

Так как конструкция несимметрична, то длина фланговых швов должна быть различна и пропорциональна силам F_х и F₂. Разложим силу F на две параллель­ные составляющие по формулам:

F₁/F (b-z_о)/b; F₁+F₂=F. Решая эти уравнения, получим:

F₁/F (b-z_о)/b=200*10³(63-17.8)*10^-3/(63*10^-3)=129*10³ H;

F₂=F- F₁=200*10³-129*10³=71*10³ H

Определим допускаемое напряжение на срез для сварною шва, полагая свар­ку ручной электродами обычного качества:

['] = 0,6[σ _р ]= 0,6 • 140 = 84 МПа.

Определим длину швов, приняв катет шва К = d =6 мм:

l₁ = F₁/(2*0,7K[']) = 129*10³/(2*0,7*6*10³*84*10⁶) = 0.82 м= 182мм,

l₂ = F₂/(2*0,7K[']) = 71*10³/(2*0,7*6*10³*84*10⁶) = 0.82 м= 0.1мм,=100мм.

Округляя, принимаем l₁ = 185 мм, /₂ = 55 мм, добавив для коротких швов по 5 мм против расчетной длины.

Если для данной конструкции применить клепаное соединение, то уголки будут ослаблены отверстиями под заклепки. Приняв диаметр заклепок равным удвоенной толщине полки уголка, а диаметр отверстий под заклепки d₀ = 14 мм из расчета уголков на растяжение, определим площадь А₁ поперечного сечения одного уголка

A=F/ (2[σ _р])+d₀d =200*10³ /(2*140*10⁶)+14*10^-3*6*10^-3= 799*10⁶ м² = 7,99см².

В этом случае необходимо принять уголок N7 с площадью поперечного се­чения 8,15 см². Сравнивая площади поперечных сечений уголков, делаем вывод, что масса уголков клепаной конструкции на 12% больше, чем сварной.